Tổng hợp kiến thức về phương trình hàm

  • Số trang: 63 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 41 |
  • Lượt tải: 0
dinhthithuyha

Đã đăng 3355 tài liệu

Mô tả:

MỞ ĐẦU Qua nhiều năm giảng dạy môn Toán, đặc biệt là việc đào tạo và bồi dưỡng học sinh giỏi môn Toán học về phần phương trình hàm, tôi nhận thấy phần phương trình là một phần kiến thức rất quan trọng, tuy nhiên không có tài liệu nào viết được đầy đủ và có nhiều bài tập vận dụng để học sinh khắc sâu. Vì vậy tôi viết chuyên này để giúp học sinh có một cái nhìn tổng thể và sâu sắc về phương trình hàm. Đặc biệt là chuyên đề còn có một hệ thống các bài tập giúp học sinh luyện tập rất tốt. Do thời gian chuẩn bị viết chuyên đề chưa được nhiều nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót nên tôi rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô ở các trường chuyên khu vực duyên hải Bắc Bộ. 1 Mục lục 1 Tổng hợp về kiến thức cơ bản 3 1.1 Nguyên lý Acsimet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Tính trù mật . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Cận trên . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.4 Cận dưới . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.5 Ánh xạ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.5.1 Đơn ánh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.5.2 Toàn ánh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.5.3 Song ánh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Hàm đơn điệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.6 2 Hàm cộng tính, nhân tính và đơn điệu 6 2.1 Hàm cộng tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2 Hàm nhân tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3 Một số kết quả sẵn có về phương trình hàm 6 4 Các phương pháp giải phương trình hàm 6 4.1 Phương pháp thế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 4.2 Sử dụng tính liên tục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.3 Sử dụng tính toàn ánh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.4 Sử dụng tính chất đơn ánh, song ánh . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.5 Sử dụng tính đơn điệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.6 Sử dụng tính chất điểm bất động . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Kết luận 62 Tài liệu tham khảo 63 2 PHƯƠNG TRÌNH HÀM 1 Tổng hợp về kiến thức cơ bản 1.1 Nguyên lý Acsimet Với mọi ε > 0 và với mọi x > 0 luôn tồn tại k ∈ N∗ sao cho kε > x (ε, x ∈ R). Hệ quả: Với mọi x ∈ R, tồn tại duy nhất k ∈ Z sao cho k ≤ x < k + 1. 1.2 Tính trù mật Tập hợp A ⊂ R được gọi là trù mật trong R nếu và chỉ nếu với mọi x, y ∈ R, x < y đều tồn tại a ∈ A sao cho x < a < y. Hệ quả: 1. Q trù mật trong R. o nm m ∈ Z, n ∈ N trù mật trong R. 2. A = 2n 1.3 Cận trên Cho A ⊂ R. x được gọi là cận trên của A nếu với mọi a ∈ A thì a ≤ x. Cận trên bé nhất nếu có của A được gọi là cận trên đúng của A, ký hiệu là sup A.   a ≤ α, ∀a ∈ A, α = sup A ⇔  ∀ε > 0, ∃a ∈ A, a > α − ε. 3 1.4 Cận dưới Cho A ⊂ R. x được gọi là cận dưới của A nếu với mọi a ∈ A thì a ≥ x. Cận dưới lớn nhất của A được gọi là cận dưới đúng của A, ký hiệu là inf A.   a ≥ β, ∀a ∈ A, β = inf A ⇔  ∀ε > 0, ∃a ∈ A, a < β + ε. 1.5 1.5.1 Ánh xạ Đơn ánh Ánh xạ f : A → B được gọi là đơn ánh nếu như với mọi a1 , a2 ∈ A mà a1 6= a2 thì f (a1 ) 6= f (a2 ) (|A| < |B|). Hệ quả: f là đơn ánh khi và chỉ khi nếu f (a1 ) = f (a2 ) thì suy ra a1 = a2 . 1.5.2 Toàn ánh Ánh xạ f : A → B được gọi là toàn ánh nếu như với mọi phần tử b ∈ B đều tồn tại phần tử a ∈ A sao cho f (a) = b (|A| ≥ |B|). 1.5.3 Song ánh Ánh xạ f : A → B được gọi là song ánh nếu f vừa là đơn ánh vừa là toàn ánh (|A| = |B|). Chú ý: +) Để chứng minh toàn ánh, ta chứng minh |A| ≥ |B|, nghĩa là tập giá trị (là tập B 0 = {f (a) : ∀a ∈ A}) có |B 0 | ≥ |B|. +) Ánh xạ f : A → B là song ánh nếu và chỉ nếu với mọi b ∈ B, tồn tại duy nhất a ∈ A sao cho f (a) = b. 4 1.6 Hàm đơn điệu i) Hàm số f (x) được gọi là tăng trên (a, b) nếu với mọi x1 , x2 ∈ (a, b) mà x1 ≤ x2 thì f (x1 ) ≤ f (x2 ). ii) Hàm số f (x) được gọi là tăng ngặt trên (a, b) nếu với mọi x1 , x2 ∈ (a, b) mà x1 < x2 thì f (x1 ) < f (x2 ). Hệ quả: Nếu hàm số f (x) là tăng trên (a, b) và f là đơn ánh thì f là hàm tăng ngặt. iii) Hàm số f (x) được gọi là giảm trên (a, b) nếu với mọi x1 , x2 ∈ (a, b) mà x1 ≥ x2 thì f (x1 ) ≤ f (x2 ). iv) Hàm số f (x) được gọi là giảm ngặt trên (a, b) nếu với mọi x1 , x2 ∈ (a, b) mà x1 > x2 thì f (x1 ) < f (x2 ). Hệ quả: f (x) là giảm trên (a, b) và f là đơn ánh thì f giảm ngặt trên (a, b). v) Hàm tăng ngặt và giảm ngặt được gọi là đơn điệu thực sự. Chú ý: f liên tục và f là đơn ánh trên một khoảng nào đó thì nó là đơn điệu thực sự. Tính chất: 1. f : D → R, g : D → R là hai hàm tăng thì f + g tăng. 2. f : D → R, g : D → R là hai hàm tăng và không âm thì f (x) · g(x) là hàm tăng. 3. f : Df → R và g : Dg → R là hai hàm tăng, trong đó Tf ⊂ Dg thì g ◦ f = g(f (x)) tăng, ở đây Tf là tập giá trị của f tức là Tf = {f (x) : x ∈ Df }. Hệ quả: • Nếu f (x) tăng thì f (f (x)) (nếu xác định) cũng tăng. • Nếu f (x) giảm thì f (f (x)) (nếu xác định) cũng tăng. 5 2 Hàm cộng tính, nhân tính và đơn điệu 2.1 Hàm cộng tính Hàm f (x) được gọi là cộng tính trên tập xác định D nếu với mọi x, y ∈ D thì x + y ∈ D và f (x + y) = f (x) + f (y). 2.2 Hàm nhân tính Hàm f (x) được gọi là nhân tính trên tập xác định D nếu với mọi x, y ∈ D thì x · y ∈ D và f (x · y) = f (x) · f (y). 3 Một số kết quả sẵn có về phương trình hàm 1. Phương trình hàm Cauchy Cho f : R → R, f cộng tính và tồn tại x0 ∈ R: lim f (x) = f (x0 ). Khi đó x→x0 f (x) = kx với mọi x ∈ R, với k = const, k ∈ R. 2. Cho f : R → R, f cộng tính và đơn điệu trên R. Khi đó f (x) = kx với mọi x ∈ R, với k = const, k ∈ R. 3. Cho f : R+ → R+ là hàm nhân tính và tồn tại x0 ∈ R+ : lim f (x) = f (x0 ) x→x0 α + thì f (x) = x với mọi x ∈ R , α ∈ R tùy ý. 4 Các phương pháp giải phương trình hàm • Phương pháp thế. • Phương pháp sử dụng tính liên tục. • Sử dụng toàn ánh. • Sử dụng tính chất đơn ánh, song ánh. 6 • Sử dụng tính chất đơn điệu. • Sử dụng tính chất điểm bất động. 4.1 Phương pháp thế Thay các giá trị đặc biệt: +) Ví dụ thay x = a sao cho f (a) xuất hiện nhiều trong phương trình. +) x = a, y = b rồi hoán vị, thay đổi đi để tìm liên hệ giữa f (a) và f (b). +) Đặt f (0) = b, f (1) = b, ... +) Nếu f là toàn ánh, tồn tại a: f (a) = 0 (dùng trong phương trình cộng), còn nếu tồn tại a: f (a) = 1 (nếu trong phương trình có nhân). Chọn x, y phù hợp để triệt tiêu đi f (g(x, y)) có trong phương trình. Hàm có x bên ngoài thì cố gắng chỉ ra nó là đơn ánh hoặc toàn ánh. +) Làm xuất hiện f (x). +) f (x) = f (y) với mọi x, y ∈ A ⇒ f (x) = const với mọi x ∈ A. Bài 1. Tìm f : R → R thỏa mãn điều kiện f (x)f (y) − f (xy) = x + y + 2 ∀ x, y ∈ R. 3 (*) Lời giải. Giả sử tồn tại f (x) thỏa mãn điều kiện (*). Thay x = y = 0 vào (*) ta có  f 2 (0) − f (0) = 6 ⇔  f (0) = −2 f (0) = 3 +) Xét f (0) = −2, thay y = 0 vào (*) ta có f (0) · f (x) − f (0) = 3(x + 2) ⇔ −2f (x) + 2 = 3x + 6 3 ⇔ f (x) = − · x − 2, 2 Thử lại (*) thấy không thỏa mãn. 7 ∀x ∈ R. +) Xét f (0) = 3, thay y = 0 vào (*) ta có f (x) · f (0) − f (0) = 3(x + 2) ⇔ f (x) = x + 3, ∀x ∈ R. Thử lại thấy thỏa mãn. Vậy f (x) = x + 3 với mọi x ∈ R. Bài 2. Cho f : [0, 1] → [0, 1] thỏa mãn: 1. Tồn tại a, b ∈ [0, 1] sao cho f (a) = 0, f (b) = 1; 2. Với mọi x, y ∈ [0, 1] ta có: |f (x) − f (y)| ≤ |x − f (x)| + |y − f (y)| . 2 (*) Chứng minh rằng tồn tại duy nhất x0 ∈ [0, 1] sao cho f (x0 ) = x0 . Lời giải. Thay x = a, y = b vào (*) ta có a+1−b |a − f (a)| + |b − f (b)| = 2 2   a = 1, (do a, b ∈ [0, 1]). ⇒a−b≥1⇒  b = 0. 1 = |f (a) − f (b)| ≤   1 1 Ta sẽ chứng minh f = . 2 2 1 Thay x = 1, y = ta có 2      1 + 12 − f 12 1 + 21 − f 1 1 f (1) − f ≤ ≤ ⇔ f 2 2 2 2   1 1 +) Nếu f > thì suy ra 2 2       1 1 1 1 1 1 f ≤ ·f + ⇒f ≤ (vô lý). 2 2 2 4 2 2 8 1 2  .   1 1 1 < , thay x = 0, y = vào (*) +) Nếu f 2 2 2     1 3 1 + 12 − f 12 − f 1 2 2 ≤ ⇒ 1 − f = 2 2 2     1 3 1 1 ⇒1−f ≤ − f 2 4 2 2   1 1 ⇔f ≥ (vô lý). 2 2   1 1 = . Vậy f 2 2 1 1 Ta chứng minh x = là duy nhất. Thay y = vào (*) ta có 2 2 f (x) − 1 ≤ |f (x) − x| . 2 2 Giả sử tồn tại x0 ∈ [0, 1], x0 6= 1 sao cho f (x0 ) = x0 . Thay x = x0 vào (**) 2 ta có f (x0 ) − 1 1 ≤ 0 ⇒ f (x ) = = x0 (vô lý). 0 2 2 Vậy ta có điều phải chứng minh. Bài 3. Tìm hàm f : R+ → R thỏa mãn điều kiện:     1 3 3 f (1) = , f (xy) = f (x)f + f (y)f ∀x, y ∈ R+ . 2 y x Lời giải. Cho x = 1, y = 3, ⇒ f (3) = f 2 (1) + f 2 (3) ⇒ f 2 (3) − f (3) + ⇒ f (3) = (**) 1 =0 4 1 . 2 Thay y = 1,    1 3 ⇒ f (x) = f (x) + f ∀x ∈ R+ 2 x   3 ⇒ f (x) = f ⇒ f (xy) = 2f (x)f (y). x 9 Cho x = y, ⇒ f (x2 ) = 2f 2 (x) ≥ 0 ∀x ∈ R+ ⇒ f (x) ≥ 0 ∀x ∈ R+ . Thay y = 3 , x   3 ⇒ f (3) = f (x) · f (x) + f x 1 1 ⇒ = f 2 (x) ⇒ f (x) = ∀x ∈ R+ . 4 2 2 Bài 4. Tìm f : R → R thỏa mãn xf (y) + yf (x) = (x + y)f (x)f (y),  Lời giải. Thay x = y = 1 ⇒ 2f (1) = 2f 2 (1) ⇒  ∀x, y ∈ R. f (1) = 0 f (1) = 1 +) f (1) = 0, thay y = 1, suy ra f (x) = 0 với mọi x ∈ R. Thử lại thấy thỏa mãn. +) f (1) = 1, thay y = 1, ⇒ f (x) + x = (x + 1)f (x) ⇒ xf (x) = x ∀x ∈ R ⇒ f (x) = 1 ∀x ∈ R \ {0}. Đặt f (0) = a. Với x, y 6= 0 thì thỏa mãn; x = y = 0 thỏa mãn. Xét với x 6= 0, y = 0 ⇒ xa = xa (thỏa mãn).   1 nếu x 6= 0 Vậy f (x) = 0 với mọi x ∈ R và f (x) =  a nếu x = 0 với a tùy ý là hai hàm số thỏa mãn. Bài 5. Tìm f : R → R thỏa mãn điều kiện f (x2 + f (y)) = xf (x) + y ∀x, y ∈ R. 10 (*) Lời giải. Thay x = 0 ⇒ f (f (y)) = y với mọi y ∈ R, suy ra Tf = R hay f là song ánh (f (y1 ) = f (y2 ) ⇒ y1 = y2 ). Thay y = 0 ⇒ f (x2 + f (0)) = xf (x). Ta muốn chỉ còn x2 trong (*). Do f là toàn ánh nên tồn tại a để f (a) = 0. Thay y = a, f (x2 ) = xf (x) + a ⇒ f (a2 ) = a ⇒ f (f (a2 )) = a2 = f (a) = 0. Có a = 0, thay y = 0, ⇒ f (x2 ) = xf (x) = f (f (x))f (x) = f (f 2 (x))  f (x) = x ⇒ f (x) = −x Giả sử có a, b 6= 0, a 6= b sao cho   f (a) = a  f (b) = −b ⇒ f (a2 + f (b)) = af (a) + b ⇒ f (a2 − b) = a2 + b  2 f (a − b) =   ⇒ a2 − b ⇒ b = 0 (vô lý) −a2 + b ⇒ a = 0 (vô lý) f (x) = x, ∀x ∈ R f (x) = −x, ∀x ∈ R. Bài 6. Tìm f : R → R thỏa mãn điều kiện: f (xf (x) + f (y)) = f 2 (x) + y ∀x, y ∈ R. (*) Lời giải. Thay x = 0, f (f (y)) = f 2 (0) + y, ∀y ∈ R. (1) Suy ra f là song ánh ⇒ tồn tại a: f (a) = 0. Thay x = a vào (*) ta có f (f (y)) = y. Kết hợp với (1), f (0) = 0 ⇒ a = 0. 11 Thay x bởi f (x), y = 0, ta có  f (xf (x)) = x2 = f 2 (x) ⇒  f (x) = x f (x) = −x. Giả sử tồn tại a, b 6= 0: f (a) = a và f (b) = −b. Thay x = a, y = b vào (*) ⇒ f (a2 − b) = a2 + b. Theo bài trước suy ra vô lý. Vậy f (x) = x với mọi x ∈ R, hoặc f (x) = −x với mọi x ∈ R (thử lại thấy thỏa mãn). Bài 7. Tìm f : R → R thỏa mãn f (f (x) + y) = 2x + f (f (y) − x), ∀x, y ∈ R. Lời giải. Ta chứng minh hàm là toàn ánh, tức chỉ ra với mọi x ∈ R, tồn tại γ: f (γ) = x. Để ý nếu chọn y = −f (x), ⇒ f (0) = 2x + f (f (−f (x)) − x) ⇒ f (f (−f (x)) − x) = −2x − f (0) (từ đây có thể suy ra f là toàn ánh). Từ đây ta có cách chọn như sau: với mọi x ∈ R, chọn α sao cho −2α − f (0) = x ⇒ α = − x + f (0) . 2 Từ đó chọn β = −f (α), γ = f (β) − α. Khi đó ta sẽ có f (γ) = x với mọi x ∈ R. Suy ra f là toàn ánh, suy ra tồn tại a: f (a) = 0. Thay x = a ⇒ f (y) = 2a + f (f (y) − a). Với mọi x ∈ R, tồn tại y: f (y) = x + a (do f là toàn ánh). Từ đó suy ra f (y) = 2a + f (x) ⇒ f (x) = x − a với mọi x ∈ R. Thử lại thấy thỏa mãn. Bài 8. Tìm f : R → R sao cho f (f (x + y)) = f (x + y) + f (x)f (y) − xy, 12 ∀x, y ∈ R. (*) Lời giải. Thay y bởi z, x bởi x + y, f (f (x + y + z)) = f (x + y + z) + f (x + y)f (z) − (x + y)z, ∀x, y, z ∈ R. Thay z = 0, ta có f (x + y)f (0) = f (x)f (y) − xy, ∀x, y ∈ R. (1) +) Nếu f (0) = 0, ta có f (x)f (y) = xy, ∀x, y ∈ R. (2) Thay y = 1 ⇒ f (x)f (1) = x với mọi x, y ∈ R. Nếu f (1) = 0 ⇒ vô lý. Vậy f (1) = a 6= 0 ⇒ f (x) = kx với mọi x ∈ R. Thay vào (2) ⇒ k 2 = 1 ⇒ k = ±1,  f (x) = x, ∀x ∈ R (thử lại thấy thỏa mãn) ⇒ f (x) = −x, ∀x ∈ R (thử lại thấy không thỏa mãn). +) Nếu f (0) 6= 0, thay y = 1 vào (1), ta có f (x + 1)f (0) = f (x)f (1) − x (3) Thay x bởi x + 1, y = −1 vào (1), ta có f (x)f (0) = f (x + 1)f (−1) + x + 1. (4) Từ (3) × f (−1) + f (0) × (4) có: f (x)f 2 (0) = f (x)f (1)f (−1) − f (−1)x + xf (0) + f (0) ⇒ f (x)[f 2 (0) − f (1)f (−1)] = x[f (0) − f (−1)] + f (0) Thay x = 0 vào (5) ⇒ f 2 (0) − f (1)f (−1) = 1 ⇒ f (x) = x[f (0) − f (−1)] + f (0). 13 (5) Đặt a = f (0) − f (−1), b = f (0) ⇒ f (x) = ax + b với mọi x, y ∈ R. Thay vào (*) ⇒ a = b = 0 (vô lý). Bài 9. Tìm f, g : R → R thỏa mãn f (x) − f (y) = (x2 − y 2 )g(x − y), ∀x, y ∈ R. (1) Lời giải. Thay y bởi −y, ta có f (x) − f (−y) = (x2 − y 2 )g(x + y), ∀x, y ∈ R. Thay x bởi y vào (2) ⇒ f (y) = f (−y) với mọi y ∈ R. Từ (1) và (2) suy ra (x2 − y 2 )g(x − y) = (x2 − y 2 )g(x + y), ∀x, y ∈ R ⇒ g(x − y) = g(x + y), ∀x 6= ±y, x, y ∈ R. Với mọi u, v ∈ R, đặt x = u−v u+v ,y= , 2 2 ⇒ g(u) = g(v), ∀u, v 6= 0 ⇒ g(u) = const, ∀u 6= 0. Đặt g(x) = c với x 6= 0, ⇒ f (x) − f (y) = c(x2 − y 2 ), ∀x 6= y ⇒ f (x) − f (y) = c(x2 − y 2 ), ∀x, y ∈ R ⇒ f (x) − cx2 = f (y) − cy 2 , ∀y 6= 0 ⇒ f (x) = cx2 + k ∀x 6= 0. Từ đó ta có cặp hàm số thỏa mãn đề bài là   c, x 6= 0 g(x) =  c0 , x = 0 14 (2) với c, c0 ∈ R tùy ý và f (x) = cx2 + b với b ∈ R tùy ý. Bài 10. Tìm f : R → R sao cho f (f (x − y)) = f (x) − f (y) + f (x)f (y) − xy, ∀x, y ∈ R. (1) Lời giải. Thay y = 0, ta có f (f (x)) = f (x) − f (0) + f (x)f (0), ∀x ∈ R. (2) Đặt f (0) = a, từ (1) và (2) (trong (2) thay x bởi x − y), ta có f (x − y)(1 + a) − a = f (x) − f (y) + f (x)f (y) − xy, ∀x, y ∈ R. (3) Thay x = y vào (3), ta có f 2 (x) = x2 + a2 , ∀x ∈ R. (4) Thay x = a ⇒ f 2 (a) = 2a2 . Đặt f (a) = b ⇒ b2 = 2a2 . Thay x = 0 vào (2), ⇒ b = a2 ⇒ a4 − 2a2 = 0. (*) Thay x = a vào (2) ⇒ f (f (a)) = b − a + ab. Thay x = b vào (4) ⇒ f 2 (b) = b2 + a2 . a2 + a4 = (a3 + a2 − a)2 . (**) Ta có hệ   a4 − 2a2 = 0, ⇒ a = 0.  (a3 + a2 − a)2 = a4 + a2 Vậy f (0) = 0. Từ đó suy ra f (f (x)) = f (x), ∀x ∈ R (2) f 2 (x) = x2 , ∀x ∈ R (4) f (x − y) = f (x) − f (y) + f (x)f (y) − xy, ∀x, y ∈ R (3) 15 Từ (3), thay x = 0, f (−y) = −f (y), ∀y ∈ R. (5) Từ (4) suy ra f (x) = x hoặc f (x) = −x. Giả sử tồn tại x 6= 0, f (x) = −x, từ (2) ta có: f (x) = f (f (x)) = f (−x). Từ (5) có f (−x) = −f (x) ⇒ f (x) = −f (−x) ⇒ f (x) = 0. Mặt khác f (x) = x hoặc f (x) = −x nên suy ra vô lý. Vậy f (x) = x với mọi x ∈ R là hàm cần tìm. Bài 11. Tìm f : R → R thỏa mãn f (f (x) + y) = f (x2 − y) + 4f (x)y, ∀x, y ∈ R. (1) ∀y ∈ R. (2) Lời giải. Thay x = 0, ta có f (f (0) + y) = f (−y) + 4f (0)y, Đặt f (0) = a, f (a) = b. Thay y = 0 vào (2) ⇒ b = a. Thay y = −a vào (2) ⇒ f (0) = f (a) − 4a2 ⇒ a = a − 4a2 ⇒ a = 0. f (y) = f (−y), Thay y = ∀y ∈ R. (2) x2 − f (x) vào (1), 2 ⇒ f (x)[x2 − f (x)] = 0 ∀x ∈ R ⇒ f (x) = 0 hoặc f (x) = x2 . Giả sử tồn tại đồng thời ab 6= 0 sao cho f (a) = 0, f (b) = b2 . Thay y = 0 vào (1) ta có: f (f (x)) = f (x2 ), ∀x ∈ R. Thay x = a, y = b vào (1) ⇒ f (b) = f (a2 − b) = b2 6= 0. Thay x = a, y = −b vào (1) ⇒ f (−b) = f (a2 + b) = b2 6= 0. 16 (3) ⇒ (a2 − b)2 = (a2 + b)2 = b2 ⇒ a = b = 0 (vô lý). Vậy f (x) = 0 với mọi x ∈ R hoặc f (x) = x2 với mọi x ∈ R (thử lại thấy thỏa mãn). Bài 12. Tìm f, g : R → R thỏa mãn i) 2f (x) − g(x) = f (y) − y với mọi x, y ∈ R; ii) f (x)g(x) ≥ x + 1 với mọi x ∈ R. Lời giải. Thay x = y vào i) ⇒ g(x) = f (x) + x với mọi x ∈ R. ⇒ f (x) − x = f (y) − y, ∀x, y ∈ R ⇒ f (x) = x + c, ∀x ∈ R g(x) = 2x + c, ∀x ∈ R. Do f (x)g(x) − (x + 1) ≥ 0 với mọi x ∈ R nên suy ra 2x2 + x(3c − 1) + c2 − 1 ≥ 0, ∀x ∈ R ⇒ ∆ ≤ 0 ⇔ c2 − 6c + 9 ≤ 0 ⇒ c = 3. Bài 13. Tìm f : R+ → R+ thỏa mãn f (xf (y))f (y) = f (x + y), ∀x, y > 0. Lời giải. Ta dựa vào phương trình, ta cố gắng chọn x sao cho y . f (y) − 1 y +) Giả sử tồn tại y: f (y) > 1, chọn x = . Thay vào (1), f (y) − 1     yf (y) yf (y) ⇒f f (y) = f (do f (x) > 0 với mọi x > 0) f (y) − 1 f (y) − 1 xf (y) = x + y ⇔ x = ⇒ f (y) = 1 (vô lý). 17 (1) Vậy 0 < f (y) < 1 với mọi y > 0. Giả sử tồn tại a > 0: f (a) = 1. Thay vào (1) ta có f (x) = f (x + a), ⇒ f (x) = f (x + na), ∀x > 0 n ∈ N∗ , x > 0. Để ý kết quả của bài trước: f không giảm, tồn tại a > 0 sao cho f (x + a) = f (x) ⇒ f (x) = const. Từ (1) có f (x + y) = f (xf (y))f (y) ≤ f (y), ∀x, y > 0. Suy ra với mọi 0 < x < y ta có f (y) = f (y − x + x) ≤ f (x), suy ra f là hàm giảm. Suy ra f (x) = a (a ∈ (0, 1]) với mọi x > 0. Thay vào (1) ta có a = a2 ⇒ a = 1. Vậy f (x) = 1 với mọi x > 0. +) Giả sử 0 < f (x) < 1 với mọi x ∈ R, suy ra f (x) > f (y) với mọi x, y ∈ R, 0 < x < y, hay f là hàm giảm ngặt. Thay y = 1 vào (1) suy ra f (x + 1) = f (xf (1))f (1). Đặt f (1) = a ⇒ f (x + 1) = f (ax)a. Có x + 1 = ax + (1 − a)x + 1 suy ra f (x + 1) = f (ax)f (f (ax)[(1 − a)x + 1]). Do f là hàm giảm ngặt (đơn ánh) nên suy ra ⇒ f (ax)[(1 − a)x + 1] = 1 1 ∀x > 0 (1 − a)x + 1 a ⇒ f (x) = ∀x > 0. (1 − a)x + a ⇒ f (ax) = 18 Bài 14. Tìm f : R → R thỏa mãn điều kiện f (x + yf (x)) = f (f (x)) + xf (y), ∀x, y ∈ R. (1) Lời giải. Thay x = 0 suy ra f (yf (0)) = f (f (0)), ∀y ∈ R. (2) Giả sử f (0) 6= 0, từ (2) suy ra f (x) = c với mọi x ∈ R. Thay vào (1) suy ra c = c + cx, ∀x ∈ R ⇔ c = 0 ⇒ f (0) = 0 (vô lý). Vậy f (0) = 0. Thay y = 0 ⇒ f (f (x)) = f (x) với mọi x ∈ R. Nhìn lại (1), ta sẽ chọn y sao f (x) − x cho x + yf (x) = f (x), hay là y = với f (x) 6= 0.Đến bước này ta có hai f (x) giả thiết. Giả thiết 1: Xét hai trường hợp Trường hợp 1. Xét f ≡ 0 có là nghiệm ? Trường hợp 2. Tồn tại x0 6= 0: f (x0 ) 6= 0. Từ đây suy ra f hoặc là đơn ánh, hoặc là toàn ánh, hoặc là song ánh. Giải thiết 2: Xét hai trường hợp: Trường hợp 1. Nếu tồn tại x0 6= 0: f (x0 ) = 0. Chứng minh f ≡ 0. Trường hợp 2. Xét f không đồng nhất bằng 0 với mọi x 6= 0 hay (f (x) = 0 ⇔ x = 0). Với cách thay như trên, quá rõ là bài này ta dùng giả thiết 2. Trường hợp 1. Giả sử tồn tại x0 6= 0: f (x0 ) = 0. Thay x = x0 vào (1) suy ra f (x0 ) = x0 f (y) với mọi y ∈ R. Suy ra f (y) = 0 với mọi y ∈ R. Thử lại thấy 19 f ≡ 0 thỏa mãn. f (x) − x ta có f (x)   f (x) − x xf = 0 ∀x 6= 0 f (x) Trường hợp 2. Với x 6= 0, chọn y = ⇒ f (x) − x = 0, ∀x 6= 0 ⇒ f (x) = x, ∀x ∈ R. Thử lại thấy thỏa mãn. 4.2 Sử dụng tính liên tục Chú ý: +) f liên tục và f đơn ánh thì f đơn điệu thực sự. +) f liên tục trên [a, b] thì f bị chặn (tức là tồn tại M = max f (x) và m = [a,b] min f (x)). [a,b]  +) f liên tục tại x0 ⇔ lim f (x) = f  lim x . x→x0 x→x0 Bài 1. Tìm f : R → R liên tục, thỏa mãn x2 f (y) + yf (x2 ) = f (xy) + a, ∀x, y ∈ R. (1) Lời giải. Thay x = 0 vào (1) ⇒ yf (0) = f (0) + a với mọi y ∈ R. Nếu f (0) 6= 0 ⇒ yf (0) có tập giá trị là R ⇒ vô lý ⇒ f (0) = 0 ⇒ a = 0. Vậy a 6= 0 thì phương trình không có nghiệm. Với a = 0, (1) ⇔ x2 f (y) + yf (x2 ) = f (xy) với mọi x, y ∈ R. Thay x = y = 1 vào (1) ⇒ f (1) = 0. Thay y = 1 vào (1) ⇒ f (x2 ) = f (x) với mọi x ∈ R. Thay y = x vào (1) ⇒ x2 f (x) + xf (x2 ) = f (x2 ) với mọi x ∈ R √ −1 ± 5 ⇒ (x2 + x − 1)f (x) = 0 với mọi x ∈ R ⇒ f (x) = 0 với mọi x 6= . Do f 2 liên tục trên R ⇒ f (x) = 0 với mọi x ∈ R. 20
- Xem thêm -